シンクロトロン高速断層撮影法を使用した炭酸における反応の動的細孔スケール貯水池条件イメージング

シンクロトロン高速断層撮影は、貯蔵条件でのCO ₂ -飽和食塩水の存在下での石灰岩の動的画像の溶解に使用しました。 100スキャンを2時間かけて6.1ミクロンの解像度で撮影しました。

この実験の全体的な目標は、貯留層条件下で実際の岩石の酸性ブラインと反応する際の流体岩界面の動的変化を観察することです。この方法は、地下の流体移動を正確に予測する方法やサージの永続性の有効性など、炭素貯蔵における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、3次元画像を迅速かつ非侵襲的に撮影できることです。

この方法は、地球化学システムに関する洞察を提供しますが、他のシステムにも適用できます。機械的ストレス環境下での複数の流体相のイメージング、またはバッテリーや昆虫の目などの生物学的システムの機能などが典型的なアプリケーションです。まず、ピンク色のビームエネルギーとフラックスが最も高いビームラインのX線スペクトルを計算します。

次に、実験的な同調曲線を使用してイメージング性能を予測し、フィルタリング透過を測定します。次に、適切なフィルターを使用してビームスペクトルをキャリブレーションして、良好な画像を得ることが重要です。時間はかかりますが、必要不可欠です。

まず、サンプルを加熱する低エネルギーのX線をフィルタリングし、イメージングを改善しないでください。利用可能な光波長での理論上のフィルター透過率を計算し、適切なフィルターを選択します。この場合、アルミニウムと金のフィルターが使用されます。

次に、バンドパスフィルターを追加します。ハイパスX線フィルターには、0.2mmの熱分解カーボンフィルターと0.2mmのアルミニウムフィルターのセットを使用します。ローパスフィルターには、臨界角の近くで動作するX線ミラーを使用します。

ここでは、入射角1.15ミリロッドのプラチナコーティングストリップを使用して、30キロ電子ボルト未満の光を反射します。次に、ビームラインの利用可能な光の周波数と光束で豊富にシンチレーションするシンチレータを選択します。ここでは、タングステン酸鉛を積み重ねたタングステン酸カドミウムを使用しています。

次に、対物レンズと、適切な視野とスナップ時間分解能を備えたカメラを選択します。イメージングには、フライスキャン技術を使用して、サンプルの振動を抑えます。まず、コアをセルにロードして、コアの浸水に備えます。

まず、芯をアルミホイルの1層で包みます。次に、コアと内部エンドフィッティングの合計の長さより2mm短くカットされたバイトンスリーブにコアを挿入します。次に、スリーブを5mmの端部フィッティングに伸ばして、しっかりと密閉します。

コアの端部フィッティングの間にスペースがあってはなりません。そうしないと、流れが挟まれます。フィッティングとスリーブを 2 層のアルミニウムで包み、二酸化炭素が閉じ込め液に拡散するのを防ぎ、スリーブをフィッティングの所定の位置に保持します。次に、コアホルダーを元に戻します。

チューブとシールをスライドさせ、ボルトを交換します。次に、コアホルダーをステージに取り付け、フローと電線を接続します。フローラインと電線は、180度のアークでステージの自由回転を阻害してはなりません。

次に、実験を開始する前に、コア全体のドライスキャンを行います。詳細はテキストプロトコルに記載されています。また、本文に記載されているシンチレータの画像も撮影します。

まず、新たに準備したブラインを反応器にロードし、再組み立てします。ボルトを締め、ヒートテープで包み直し、温度プローブを挿入します。次に、圧力が100バールに達するまで、バルブ1から噴射ポンプに二酸化炭素をロードします。

次に、バルブ2を開いて、原子炉を二酸化炭素で満たします。巻き込み攪拌機でブラインを連続的に攪拌し、反応器を摂氏50度に加熱します。塩水を10メガパスカルで2〜6時間平衡化し、二酸化炭素で飽和させ、炭酸塩を完全に溶解します。

平衡化したら、システムをパージします。まず、コアホルダーの上下の線を接続して、コアホルダーをバイパスします。次に、受入ポンプを補充するように設定して、イオン化された水をバルブ11を介して受入ポンプにロードします。

第三に、バルブ7、4、および3を開きます。最後に、定圧モードで受入ポンプを使用して、システムを逆方向に駆動し、原子炉の下のバルブ3から水を排出します。約 10 個のシステム容量を使用して、ラインに空気が漏れ、きれいにすすいでいることを確認します。

次に、受入ポンプを空にし、バルブ11を介してより重い塩水を受入ポンプに装填します。ヨウ化カリウムは25重量%を使用してください。次に、イオン化された水をバルブ10を介して閉じ込めポンプにロードします。

次に、バルブ10を閉じ、バルブ8とバルブ6を開きます。閉じ込めポンプを使用して、コアを2メガパスカルに閉じ込めます。次に、バルブ11を閉じ、受入ポンプを10バールに加圧します。

次に、バルブ9、7、4、および3を開きます。結果として生じる圧力損失を使用して、ブラインをコアに送り込みます。妥当な流量を得るために、閉じ込め圧力と低圧を徐々にステップアップします。

約 2 つの完全なシステム容量のブラインをコアに駆動します。バルブ3を閉じてから、コアが12メガパスカルに制限され、コア圧力が10メガパスカルになるまで、閉じ込め圧力と低圧を段階的に増やします。また、コアは摂氏50度まで再平衡化する必要があります。

次に、受け入れポンプを停止し、リアクターの基部にあるバルブ5を開いて、リアクターシステムをコアに接続します。これは高温圧力実験です。成功を確実にするために、機器の組み立てには細心の注意を払い、反応性フローを開始する前に徹底的にテストしてください。

流体の流れを開始する前に、CMOSカメラの視野をコアの中央に置き、連続的な2D投影を開始してコアのフラッディングを追跡します。次に、コアを通る必要な流量に受け入れポンプを調整します。フロントエンドのインジェクションポンプを使用して、システム圧力を調整します。

次に、反応性ブラインの到着を知らせる減衰の変化について、2D投影を監視します。コアの透過率が増加し、シンチレータにより多くの光が当たると、X線透過性の高い反応性流体が満たされるため、投影が明るくなります。反応性ブラインと非反応ブラインの間に減衰の違いがない場合は、塩濃度の高いブラインを使用するか、別の高吸収塩を使用します。

反応する塩水が到着したら、2Dスキャンを停止し、できるだけ早く連続した3D断層撮影を開始します。スキャンごとに約1, 000の投影を使用し、180度の回転のみを使用してコアをスキャンします。制限時間に達するまでスキャンするか、コアが非常に溶解しているように見え、内部構造崩壊の差し迫った危険があります。

次に、テキストプロトコルに従ってシステムを減圧し、コアアセンブリをコアホルダーから慎重に取り外します。取り外したら、スリーブを内部のエンドフィッティングから外し、スリーブで覆われたコアを脱イオン水のビーカーに入れて、反応性の可能性のあるブラインを希釈し、すべての反応を停止します。記載された方法を使用して、方解石とポートランド炭酸塩コア中の緩衝されていない超臨界二酸化炭素飽和塩水との間の反応を画像化しました。

セグメント化された画像は、細孔と岩石のオキシルの数をカウントすることにより、空隙率の変化の時系列として分析されました。溶解中、多孔性は時間とともに増加しました。セグメント化された画像を目視検査すると、流れの方向にチャネルが存在することがわかります。

さらなる調査により、チャネルは最初の1時間で形成され、実験が進むにつれて広がっていくことが明らかになりました。次に、セグメント化された画像をネットワーク抽出モデルへの入力として使用して、透過性の変化を分析しました。最初の1時間で透過性が急激に増加しましたが、その後、透過性は安定しました。

このビデオを見れば、高速シンクロトロントモグラフィーを使用して動的反応をイメージングする方法を十分に理解できるはずです。このテクニックをマスターすれば、適切に実行すれば4時間で完了します。この手順を試行する際は、すべての機器を液体の流出から保護すること、およびビームラインに設置する前に十分にテストすることが重要です。

私たちは、非常に高い安全性基準を確保するために厳格な手順に従います。シンクロトロン科学といえば、健康と安全が最優先されます。